EP0415214B1

EP0415214B1 - Verfahren zur Herstellung von alpha-Fluoracrylsäurederivaten

Info

Publication number: EP0415214B1
Application number: EP90115876A
Authority: EP
Inventors: Karl-Rudolf Dr. Gassen; Albrecht Dr. Marhold
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1989-09-01
Filing date: 1990-08-18
Publication date: 1994-02-02
Anticipated expiration: 2010-08-18
Also published as: JPH03106848A; EP0415214A2; DE3928990A1; US5124476A; JP2609480B2; DE59004490D1; EP0415214A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung von α-Fluoracrylsäurederivaten ausgehend von Dihalogenpropenen.
Derivate der α-Fluoracrylsäure sind vielseitige organische Zwischenprodukte und können insbesondere als Monomere zur Herstellung von Polymeren für optische Gläser, Lichtwellenleiter und deren Umhüllungen verwendet werden (siehe z.B. EP-A 0 128 517). Die bisher bekannten Verfahren zur Herstellung von α-Fluoracrylsäurederivaten sind nachteilig, weil sie viele Reaktionsstufen erfordern, schlechte Ausbeuten erbringen, schwierig zugängliche und deshalb teure toxische Chemikalien benötigen, deren Handhabung besondere sicherheitstechnische Aufwendungen erfordert, nicht reproduzierbar sind und/oder nur die Herstellung kleiner Mengen gestatten.
So ist es bisher bekannt, 2-Fluoracrylsäurefluorid aus Tetrafluoroxethan herzustellen (siehe EP-OS 0 148 490), welches nur mit großem technischem Aufwand zugänglich und sehr toxisch ist. Die Synthese ausgehend von Fluoressigsäure hat die gleichen Nachteile (siehe US-PS 3 075 002). Viele Reaktionsschritte benötigt ein Verfahren, das von 1,2-Dibrom-3-chlorpropan ausgeht (siehe Zh. Org. Khim 28 1173 (1987)). Eine elektrochemische Herstellungsmethode (siehe DE-A 3 704 915) erfordert großen apparativen Aufwand und liefert nicht immer reproduzierbare Resultate.
Es besteht deshalb das Bedürfnis nach einem einfach durchzuführenden und effektiven Verfahren zur Herstellung von α-Fluoracrylsäurederivaten in technischen Mengen.
Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von α-Fluoracrylsäurederivaten gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man

a) ein Dihalogenpropen der Formel (I)

CH₂=CHal¹-CH₂Hal² (I),

in der

Hal¹ und Hal²

unabhängig voneinander für Chlor oder Brom stehen,

mit einem wasserfreien Gemisch aus Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure zu einem 1-Nitro-2,2-fluorhalogen-3-halogenpropan der Formel (II) umsetzt

CH₂Hal²-CFHal¹-CH₂NO₂ (II),

in der

Hal¹ und Hal²

die bei Formel (I) angegebene Bedeutung haben,
b) dieses in Gegenwart einer starken Säure und wenig Wasser bei erhöhter Temperatur zu einer 2,2-Fluorhalogen-3-halogen-propionsäure der Formel (III) umwandelt

CH₂Hal²-CFHal¹-COOH (III),

in der

Hal¹ und Hal²

die bei Formel (I) angegebene Bedeutung haben,
c) diese in ein Derivat der Formel (IV) umwandelt

CH₂Hal²-CFHal¹-CO-R (IV),

in der

Hal¹ und Hal²

die bei Formel (I) angegebene Bedeutung haben und

R

für OR¹ mit R¹ = gegebenenfalls substituiertem, geradkettigem, verzweigtem oder cyclischem C₁- bis C₁₈-Alkyl, gegebenenfalls substituiertem C₆- bis C₁₄-Aryl oder C₆- bis C₁₄-Heteroaryl
oder für NR²R³ mit R² und R³ unabhängig voneinander = gegebenenfalls substituiertem, geradkettigem, verzweigtem oder cyclischem C₁- bis C₁₈-Alkyl oder wobei R² und R³ gemeinsam mit dem dazwischen befindlichen Stickstoffatom einen 5- bis 7-gliedrigen Ring bilden

und
d) aus diesem durch Umsetzung mit einen Dehalogenierungsmittel ein α-Fluoracrylsäurederivat der Formel (V) erhält

CH₂=CF-CO-R (V),

in der

R

die bei Formel (IV) angegebene Bedeutung hat.

In den Formeln (I) bis (IV) stehen Hal¹ und Hal² vorzugsweise für Chlor. Soweit es sich bei R¹, R² und R³ um substituierte Reste handeln kann, kommen als Substituenten vorzugsweise Halogenatome in Frage, insbesondere Fluoratome.
Die Umsetzung des Dihalogenpropens der Formel (I) mit einem wasserfreien Gemisch aus Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure kann beispielsweise bei Temperaturen im Bereich von -50 bis +30°C erfolgen. Bevorzugte Temperaturen sind solche von -10 bis +20°C.
Das wasserfreie Gemisch aus Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure kann durch Vermischen der wasserfreien Komponenten, aber auch beispielsweise durch Zusatz von Schwefeltrioxid oder Chlorsulfonsäure zu wasserhaltigen Gemischen aus Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure erhalten werden.
Bezogen auf 1 Mol Dihalogenpropen der Formel (I) kann Salpetersäure beispielsweise in Mengen von 0,9 bis 10 Mol und Fluorwasserstoffsäure beispielsweise in Mengen von 2 bis 50 Mol eingesetzt werden. Vorzugsweise werden pro Mol Dihalogenpropen der Formel (I) 1 bis 2 Mol Salpetersäure und 5 bis 30 Mol Fluorwasserstoffsäure eingesetzt.
Die Umsetzung des Dihalogenpropens der Formel (I) mit dem Salpetersäure/Fluorwasserstoffsäure-Gemisch kann man z.B. durchführen, indem man das Säuregemisch vorlegt, das Dihalogenpropen langsam zufügt und nach beendeter Zugabe noch einige Zeit nachrührt. Die Aufarbeitung des Reaktionsgemisches kann z.B. erfolgen, indem man z.B. überschüssige Fluorwasserstoffsäure im Vakuum abdestilliert und so zurückgewinnt und den Rückstand ohne weitere Nachbehandlung, gegebenenfalls im selben Reaktionsgefäß für den nächsten Reaktionsschritt einsetzt. Man kann den Rückstand auch auf Eis gießen, mit Wasser waschen und nach Phasentrennung die noch etwas Wasser enthaltende organische Phase in den nächsten Reaktionsschritt einsetzen. Gegebenenfalls kann die organische Phase mit einem Trocknungsmittel, z.B. Natriumsulfat oder Calciumchlorid, behandelt werden.
Falls erwünscht, kann aus der so gereinigten und getrockneten Lösung durch Abziehen des Lösungsmittels und Destillation im Vakuum reines 1-Nitro-2,2-fluorhalogen-3-halogenpropan der Formel (II) erhalten werden. Bei einer derartigen Isolierung sind gegebenenfalls besondere Sicherheitsmaßnahmen zu ergreifen, da spontane Zersetzungen auftreten können.
Die Umwandlung zur entsprechenden 2,2-Fluorhalogen-3-halogen-propionsäure der Formel (III) erfordert eine Katalyse mit einer starken Säure. Als starke Säuren kommen insbesondere Schwefelsäure, Phosphorsäure, Salpetersäure, Chlorwasserstoffsäure und Bromwasserstoffsäure in Frage. Schwefelsäure ist bevorzugt. Wenn die starke Säure unter den anzuwendenden Temperaturen flüchtig ist muß man in geschlossenen Gefäßen unter Druck arbeiten. Die starke Säure kann beispielsweise in Mengen von 1 bis 100 Mol pro Mol der Verbindung der Formel (II) eingesetzt werden. Vorzugsweise liegt diese Menge bei 3 bis 50 Mol.
Die Umwandlung wird in Gegenwart von wenig Wasser durchgeführt, beispielsweise 0,9 bis 20 Mol Wasser pro Mol Verbindung der Formel (II). Vorzugsweise beträgt diese Menge 1 bis 10 Mol, besonders bevorzugt 3 bis 8 Mol. Das Wasser kann auf verschiedene Weise in das Reaktionsgemisch eingebracht werden, beispielsweise in Form einer wasserhaltigen, vorzugsweise über 90 gew.-%igen starken Säure und/oder in Form einer wasserhaltigen Verbindung der Formel (II).
Das benötigte Wasser kann auch als solches dem Reaktionsgemisch zugefügt werden. Zu beachten ist, daß die oben angegebenen Wassermengen sich auf die Summe des gesamten, zu Reaktionsbeginn im Reaktionsgemisch vorliegenden Wassers beziehen und während der Reaktion im allgemeinen kein Wasser mehr zugefügt wird.
Die Umwandlung kann z.B. bei Temperaturen im Bereich 50 bis 200°C durchgeführt werden. Vorzugsweise heizt man langsam oder stufenweise auf und führt die Reaktion z.B. während 1 bis 20 Stunden bei 50 bis 150°C zu Ende.
Die so erhaltene 2,2-Fluorhalogen-3-halogencarbonsäure der Formel (III) kann man aus dem Reaktionsgemisch beispielsweise isolieren, indem man dieses auf Eis gibt, dann mit einem oder mehreren inerten, mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmitteln ein- oder mehrmals extrahiert, die vereinigten organischen Phasen trocknet, das oder die Lösungsmittel abzieht und den verbleibenden Rückstand destilliert, vorzugsweise im Vakuum.
Die anschließende Derivatisierung zu Verbindungen der Formel (IV) kann auf an sich bekannte Weise durchgeführt werden. Verbindungen der Formel (IV) mit R = OR¹ kann man durch Veresterung einer Säure der Formel (III) mit dem entsprechenden Alkohol HOR¹ erhalten.
Zur Herstellung von Verbindungen der Formel (IV) mit R = NR²R³ ist es erforderlich, die Säure der Formel (III) zunächst in das entsprechende Säurechlorid überzuführen, beispielsweise mit Thionylchlorid. Aus dem Säurechlorid kann man dann durch Umsetzung mit einem Amin der Formel HNR²R³ das Amid der Formel (IV) mit R = NR²R³ erhalten.
Auch bei der Herstellung von Estern der Formel (IV) mit R = OR¹ kann man zunächst die Säure der Formel (III) in das entsprechende Säurechlorid überführen und dann dieses mit einem Alkohol HOR¹ verestern. Vorzugsweise wählt man diesen Weg, wenn der Alkohol HOR¹ im sauren Milieu nicht beständig ist, sondern z.B. zu Umlagerungen neigt.
Bei den Formeln (IV) und (V) steht R vorzugsweise für C₁- bis C₁₈-Alkoxy oder -Fluoralkoxy oder eine Amidogruppe NR²R³, in der R² = R³ ist und jeweils einen C₁- bis C₁₈-Alkyl- oder -Fluoralkylrest bedeutet oder für eine Amidogruppe NR²R³, wobei R² und R³ gemeinsam mit dem dazwischen befindlichen Stickstoffatom einen 5-bis 7-gliedrigen Ring bilden.
Als Dehalogenierungsmittel für die Umsetzung einer Verbindung der Formel (IV) in eine Verbindung der Formel (V) kommen beispielsweise Zink, Magnesium oder Chrom(II)-chlorid in Gegenwart von protischen oder aprotischen Solventien in Frage. Die Dehalogenierung kann auch auf elektrochemische Weise durchgeführt werden. Bevorzugt ist Zink in Gegenwart von Wasser oder Diglyme. Geeignete Temperaturen für die Dehalogenierung sind beispielsweise solche von 0 bis 150°C.
Die Aufarbeitung kann so erfolgen, daß man das gebildete α-Fluoracrylsäurederivat der Formel (V) aus dem Reaktionsgemisch abdestilliert, gegebenenfalls zusammen mit Wasser, die organischen Bestandteile des Destillats abtrennt und trocknet und durch eine erneute Destillation reinigt.
Die vorliegende Erfindung gestattet die Herstellung von α-Fluoracrylsäurederivaten auf einfache Weise, in wenigen Reaktionsstufen, mit guten Ausbeuten, unter Verwendung von preiswerten, gut zugänglichen Chemikalien und in üblichen Apparaturen. Sie eignet sich deshalb besonders für die Herstellung von α-Fluoracrylsäurederivaten in technischen Mengen.
Es ist ausgesprochen überraschend, daß das erfindungsgemäße Verfahren so einfach und gut durchführbar ist, denn bisher ist lediglich bekannt, daß man 1-Nitro-2,2-fluorhalogen-3-halogenpropan mit NO₂BF₄ in flüssigem Schwefeldioxid bei Temperaturen von -30 bis -40°C herstellen kann (siehe I zv. Akad. Nauk SSSR, Ser. Khim., Nr. 3, S. 654-657, März 1982). NO₂BF₄ ist ein teures, schwierig herzustellendes und nur in geringen Mengen verfügbares Reagenz, die Arbeitsweise in flüssigem Schwefeldioxid für ein technisches Verfahren äußerst aufwendig.
Da diese überraschenden Effekte besonders bei der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von α-Fluoracrylsäurederivaten der Formel (V) auftreten, betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung von 1-Nitro-2,2-fluorhalogen-3-halogenpropan der Formel (II)

CH₂Hal²-CFHal¹-CH₂NO₂ (II),

in der

Hal¹ und Hal²: unabhängig voneinander für Chlor oder Brom stehen,

Hal¹ und Hal²: die bei Formel (II) angegebene Bedeutung haben,

Beispiele

Beispiel 1

Herstellung von 2,3-Dichlor-2-fluor-1-nitropropan
Zu einer Mischung aus 86 ml wasserfreier, 100 %iger Salpetersäure und 300 ml wasserfreier Fluorwasserstoffsäure wurden bei -10°C 111 g (1 Mol) 2,3-Dichlorpropen innerhalb von 3 Stunden zugetropft. Die Reaktion verlief leicht exotherm. Nach vollständigem Zutropfen wurde noch 1 Stunde bei -10°C nachgerührt. Anschließend wurde das Gemisch auf Eis gegeben und mit Dichlormethan extrahiert. Die organische Phase wurde mit Natriumhydrogencarbonat-Lösung gewaschen, über Natriumsulfat getrocknet und am Rotationsverdampfer eingeengt. Das Rohprodukt wurde im Vakuum einer Ölpumpe destilliert. Es wurden 115,8 g (= 63 % der Theorie) Produkt mit einem Siedepunkt von 48 bis 50°C bei 0,07 mbar und einem Brechungsindex n $\binom{20}{D}$
von 1,4578 (bei 24°C) erhalten. Das Produkt wies eine Reinheit von 95,7 % auf.
Da die Gefahr besteht, daß das Destillationsgemisch sich zersetzt, wurde bei Wiederholungen der Herstellung von 2,3-Dichlor-2-fluor-1-nitropropan entsprechend Beispiel 2 verfahren.

Beispiel 2

Herstellung von 2,3-Dichlor-2-fluor-1-nitropropan
Zu einer Mischung aus 970 ml wasserfreier, 100 %iger Salpetersäure und 3380 ml wasserfreier Fluorwasserstoffsäure wurden bei -10°C 1250 g (11,3 Mol) 2,3-Dichlorpropen innerhalb von 5 Stunden zugetropft. Die Reaktion verlief exotherm. Nach vollständigem Zutropfen wurde das Gemisch auf Eis gegeben. Die organische Phase wurde abgetrennt und mit viel Wasser gewaschen. Es wurden 1316 g feuchtes Produkt (= 66 % der Theorie) in einer Reinheit von 97 % erhalten. Der Wassergehalt des Produktes betrug 0,5 %.

Beispiel 3

Herstellung von 2,3-Dichlor-2-fluorpropionsäure
Eine Mischung aus 1170 g (6,65 Mol) 2,3-Dichlor-2-fluor-1-nitropropan (97 %ig), 1500 ml konzentrierter Schwefelsäure und 10 ml Wasser wurde langsam erwärmt, 2 Stunden bei 80°C, 4 Stunden bei 100°C und 6 Stunden bei 120°C gerührt. Der Ansatz wurde auf Eis gegeben, zuerst mit Chloroform und dann mit Diethylether extrahiert, die organischen Phasen vereinigt und über Natriumsulfat getrocknet. Anschließend wurden die Lösungsmittel am Rotationsverdampfer abgezogen und der Rückstand im Wasserstrahlvakuum destilliert. Es wurden 925 g (= 87 % der Theorie) Produkt mit einem Siedepunkt bei 18 mbar von 98 bis 101°C erhalten. Die Reinheit des Produktes betrug 92 %. Beim Kühlen der Vorlage erstarrte das Produkt.

Beispiel 4

Herstellung von 2,3-Dichlor-2-fluorpropionsäurechlorid
Eine Mischung aus 1096,5 g (6,8 Mol) 2,3-Dichlor-2-fluorpropionsäure (92 %ig), 2052 g (17,3 Mol) Thionylchlorid wurde langsam erwärmt und bei 78 bis 80°C so lange gerührt, bis die Gasentwicklung beendet war. Nach 16 Stunden war der Umsatz laut gaschromatographischer Analyse vollständig. Anschließend wurde überschüssiges Thionylchlorid und dann das Produkt über eine 60 cm lange Füllkörperkolonne abdestilliert. Es wurden 665 g (= 60 % der Theorie) Produkt mit einem Siedepunkt von 54°C bei 50 mbar erhalten. Die Reinheit des Produktes betrug 99,3 %.

Beispiel 5

Herstellung von 2,3-Dichlor-2-fluorpropionsäure-n-butylester
Zu einer Mischung aus 159 g (2,15 Mol) n-Butanol und 217 g (2,15 Mol) Triethylamin in 1200 ml trockenem Diethylether wurden bei 15 bis 20°C 350 g (1,95 Mol) 2,3-Dichlor-2-fluorpropionsäurechlorid zugetropft und anschließend noch 2 Stunden bei Raumtemperatur nachgerührt. Dann wurde auf 0°C abgekühlt, der ausfallende Feststoff abgesaugt und gut mit Diethylether gewaschen. Die organischen Phasen wurden vereinigt, einmal mit verdünnter Salzsäure gewaschen, über Natriumsulfat getrocknet, am Rotationsverdampfer eingeengt und anschließend destilliert. Es wurden 360 g (= 83 % der Theorie) Produkt mit einem Siedepunkt von 99 bis 101°C bei 26 mbar erhalten. Das Produkt wies eine Reinheit von 97 % auf.

Beispiel 6

Herstellung von α-Fluoracrylsäure-n-butylestern
Zu einer Mischung aus 340 g mit 5 %iger H₂SO₄ frisch aktiviertem Zink, 700 ml Wasser und 1 ml konzentrierter Schwefelsäure wurden bei 110°C 338 g (1,56 Mol) 2,3-Dichlor-2-fluorpropionsäure-n-butylester getropft. Das Produkt destillierte azeotrop ab. Aus dem Destillat wurde die organische Phase abgetrennt und die wäßrige Phase gut mit Diethylether extrahiert. Die abgetrennte organische Phase und die Diethylether-Phasen wurden vereinigt, getrocknet, am Rotationsverdampfer eingeengt und anschließend destilliert. Die Ausbeute betrug 146,5 g (= 73 % der Theorie) Produkt mit einem Siedepunkt von 49 bis 51°C bei 24 mbar. Die Reinheit des Produktes betrug 98 %.

Claims

Verfahren zur Herstellung von α-Fluoracrylsäurederivaten, dadurch gekennzeichnet, daß man
a) ein Dihalogenpropen der Formel (I)

CH₂=CHal¹-CH₂Hal² (I),

in der
Hal¹ und Hal² unabhängig voneinander für Chlor oder Brom stehen,
mit einem wasserfreien Gemisch aus Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure zu einem 1-Nitro-2,2-fluorhalogen-3-halogenpropan der Formel (II) umsetzt

CH₂Hal²-CFHal¹-CH₂NO₂ (II),

in der
Hal¹ und Hal² die bei Formel (I) angegebene Bedeutung haben,

b) dieses in Gegenwart einer starken Säure, wenig Wasser und bei erhöhter Temperatur zu einer 2,2-Fluorhalogen-3-halogen-propionsäure der Formel (III) umwandelt

CH₂Hal²-CFHal¹-COOH (III),

in der
Hal¹ und Hal² die bei Formel (I) angegebene Bedeutung haben,

c) diese in ein Derivat der Formel (IV) umwandelt

CH₂Hal²-CFHal¹-CO-R (IV),

in der
Hal¹ und Hal² die bei Formel (I) angegebene Bedeutung haben und

R für OR¹ mit R¹ = gegebenenfalls substituiertem, geradkettigem, verzweigtem oder cyclischem C₁- bis C₁₈-Alkyl, gegebenenfalls substituiertem C₆-bis C₁₄-Aryl oder C₆- bis C₁₄-Heteroaryl
oder für NR²R³ mit R² und R³ unabhängig voneinander = gegebenenfalls substituiertem, geradkettigem, verzweigtem oder cyclischem C₁- bis C₁₈-Alkyl oder wobei R² und R³ gemeinsam mit dem dazwischen befindlichen Stickstoffatom einen 5- bis 7-gliedrigen Ring bilden
und

d) aus diesem durch Umsetzung mit einen Dehalogenierungsmittel ein α-Fluoracrylsäurederivat der Formel (V) erhält

CH₂=CF-CO-R (V),

in der
R die bei Formel (IV) angegebene Bedeutung hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Formeln (I) bis (IV) Hal¹ und Hal² für Chlor stehen.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schritt a) bei Temperaturen im Bereich -50 bis +30°C durchführt.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man im Schritt a) 0,9 bis 10 Mol Salpetersäure und 2 bis 50 Mol Fluorwasserstoffsäure, jeweils bezogen auf 1 Mol Dihalogenpropen der Formel (I), einsetzt.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schritt b) in Gegenwart von 1 bis 100 Mol einer starken Säure pro Mol der Verbindung der Formel (II) durchführt.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schritt b) in Gegenwart von 0,9 bis 20 Mol Wasser pro Mol der Verbindung der Formel (II) durchführt.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schritt b) bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 200°C durchführt.
Verfahren zur Herstellung von 1-Nitro-2,2-fluorhalogen-3-halogenpropan der Formel (II)

CH₂Hal²-CFHal¹-CH₂NO₂ (II),

in der
Hal¹ und Hal² unabhängig voneinander für Chlor oder Brom stehen,
dadurch gekennzeichnet, daß man ein Dihalogenpropen der Formel (I)

CH₂=CHal¹-CH₂Hal² (I),

in der
Hal¹ und Hal² die bei Formel (II) angegebene Bedeutung haben,
mit einem wasserfreien Gemisch aus Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure umsetzt.